CN109375237B - 一种全固态面阵三维成像激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全固态面阵三维成像激光雷达系统，包括：探测目标，安装在所述全固态面阵三维成像激光雷达的对接面，使追踪探测目标的激光雷达所发射的脉冲激光信号原路返回，由激光雷达的接收探测系统完成对探测目标的搜索、捕获，实时获取探测目标的相对距离、位置测量参数，在探测目标与激光雷达的激光照射范围内采集探测目标多个特征点，特征点设定在固定发散角的光学视场区域内；激光面阵数据采集及点云生成模块，完成探测合作的测量和特征点的深度数据生成，并传输给数据处理系统；数据处理系统，根据每个特征点的深度数据以及视场区域的像素位置计算方位角信息，进行探测目标角度及距离数据结算及位姿数据解算。

Description

一种全固态面阵三维成像激光雷达系统

技术领域

本发明涉及激光雷达技术，且特别涉及一种全固态面阵三维成像激光雷达系统。

背景技术

激光雷达按照有无机械旋转部件分类，分为机械激光雷达和固态激光雷达。机械激光雷达带有控制激光发射角度的旋转部件，而固态激光雷达则依靠电子部件来控制激光发射角度，无需机械旋转部件。传统的激光雷达主要是机械式扫描雷达，特点是扫描帧频低、速度慢、体积大、成本高、距离远等，主要应用于军事和国家地理信息遥感探测、资源勘测、防震减灾及国家重点建设项目等方面，为国民经济、社会发展和科学研究提供了极为重要的原始资料，并取得了显著的经济效益。

现有的机械扫描式激光雷达的主要缺点：

1)光路调试、装配复杂，成本高

现有的机械扫描式激光雷达主要依靠二维机械振镜旋转，将单点的激光光源以不同角度进行发射和和接收激光回波，对目标物体进行逐行逐列扫描，得出扫描区域目标物体的每点的距离信息，通过数据处理后得出目标物体的三维点云数据。

由于单点扫描成像的速度比较慢，机械扫描式激光雷达发展成多线式扫描雷达，采用多对激光发射光源及激光接收部件，多点同时进行线性扫描形成多线式窄带区域成像。

不论是通过二维机械振镜的点扫描激光雷达，还是多线式机械扫描雷达，其光学部件较多，为了保证测量精度，对光学部件、机械振镜等的装调工艺要求比较高，光路调试和装配工艺比较复杂，系统的一致性较差，因此也导致了产品的生产周期漫长，成本居高不下，不利于批量生产和民用市场推广。

2)测距精度低

现有的机械扫描式激光雷达计时电路主要采用TDC芯片技术，TDC电路主要用来测量激光发射与接收的时间间隔，根据时间间隔通过飞行时间发(TOF)计算目标物体的距离，逐点计算后得出目标视场区域的点云图。TDC芯片上的电路结构、冗余电路和布线方法使得芯片可以记下信号通过门电路的个数，并且能保证每个门电路的延迟时间严格一致。该技术路线是基于斜波式发生器电路充放电原理,采用搭建分立电子元器件的方法,将电路核心器件AD放大器恒流接收器与场效应管源级组合，设计计时电路。该技术路线的计时电路采用多级分离器件的电路设计原理，同时由于TDC芯片本身计时精度的限制，整个系统的测距精度无法提高，尤其是在近距离(几十米以内)时，精度误差很大，不能满足近距离高精度(mm级)的测量要求。

3)振动部件，降低可靠性

现有的机械扫描式激光雷达的机械振镜为核心部件，机械振镜采用旋转结构设计，为保证机械扫描式激光雷达的精度，必须要保证机械振镜的稳定性和旋转精度。在振动环境下或者运动过程中，机械振镜的稳定性会降低，因此，机械扫描式激光雷达在行车等运行环境下的可靠性不高，难以符合车规的严苛要求。

4)成像速度慢

现有的机械扫描式激光雷达采用单点扫描或者多点扫描的方式进行目标视场区域成像，在区域面积较大的情况下，其成像的速度慢或者只能支持窄带区域成像，因此其应用场景有限。

5)重量及体积大

现有的机械扫描式激光雷达采用了复杂光学系统、机械扫描振镜等分离式部件，其体积、重量很难降低，不能满足微小型、小体积、低重量的市场应用需求。

近几年，随着人工智能的发展，自动驾驶、辅助驾驶的兴起，推动了激光雷达在民用领域中的应用。民用市场急需低成本、高密集、快速度、高精度的数字高程数据或数字表面数据，因此高精度、大动态范围、快响应的全固态三维成像激光雷达开始进入到高速发展的阶段。从技术原理来看，用于民用的激光雷达主要有两种类型：

第一种是多束激光并排绕轴旋转360°，每束激光扫描一个平面。早期的激光雷达为64线(即64束激光)，主要技术参数已满足自动驾驶的需求，但因成本高达7万美元，无法被市场接受。为降低成本，32线、16线的激光雷达陆续被开发出来。但是成本降低带来的是分辨率的下降，这就容易在车辆驾驶过程中检测障碍物时产生盲点，带来安全隐患。

第二种是固态激光雷达。这种技术并不是常用的机械扫描方式。它不像扫描式激光雷达技术会产生机械运动，可以大幅降低生产成本。如现有技术中存在(中国专利201711068990.2申请日：2017-11-03)：用于车载三维成像固态激光雷达系统，涉及车载激光雷达领域，解决现有传统机械扫描式激光雷达扫描速度慢、体积大、接收信噪比低以及安全系数差的技术问题，包括激光器、多个TR组件及中央处理单元；激光器包括光隔离器、预放大器、分束器、主放大器阵列和扩束准直光路；每个TR组件包括发射系统和回波接收系统；发射系统包括单向玻璃阵列和液晶偏振光栅阵列；回波接收系统包括滤光片阵列、汇聚透镜阵列光电探测器阵列和多个读出电路；单个TR组件中无处理器结构，所有TR组件统一接受激光雷达中央处理单元的控制，便于集成。多TR组件排布方式，实现了水平360°、竖直20°的视场覆盖，然而该固态激光雷达方案仍然无法实现高速成像，大动态范围，高精度以及轻小便携的技术效果。因此需要设计新的激光雷达系统。

发明内容

为了实现上述目的，本发明高精度、大动态范围、响应快的全固态面阵三维成像激光雷达系统属于轻小型全固态面阵成像的激光雷达，其发明构思在于全固态面阵三维成像激光雷达内部无机械旋转部件，以大幅度缩小激光雷达体积，且实现360*240像素的视场区域一次成像，成像速度快，动态范围高，无需机械扫描，采用调制的主动激光源照明，能够同时探测视场中各点信息。

本发明的目的在于提供一种全固态面阵三维成像激光雷达系统，包括：

探测目标，所述探测目标安装在所述全固态面阵三维成像激光雷达的对接面，使追踪所述探测目标的所述全固态面阵三维成像激光雷达系统所发射的脉冲激光信号原路返回，由所述全固态面阵三维成像激光雷达系统的接收探测系统完成对所述探测目标的搜索、捕获，实时获取所述探测目标的相对距离、位置测量参数，在所述探测目标与所述激光雷达的激光照射范围内采集探测目标多个特征点，所述特征点设定在固定发散角的光学视场区域内，并能够便于目标识别；

激光面阵数据采集及点云生成模块，完成所述探测目标的测量和特征点的深度数据生成，并传输给数据处理系统，采集的所述数据包括两种，即所有像素点的距离数据与可见光像素数据；以及

数据处理系统，所述数据处理系统根据每个特征点的深度数据以及在视场区域的像素位置计算空间位置信息，进行所述探测目标的角度及距离数据解算以及位姿数据解算。

优选的，所述激光面阵数据采集及点云生成模块包括：

激光驱动及控制单元，由传感器主控单元以及激光调制单元组成，所述传感器主控单元用于产生激光调制信号，所述激光调制单元实现为激光调制板；

调制激光发射单元，由激光器阵列模块以及光学整形模块构成，激光光源照射所述激光器阵列模块形成激光照明，所述光学整形模块包括多个光学镜片，所述光学镜片包括柱透镜、滤光片、透镜和折返镜；

调制激光接收单元，由接收镜头、信号接收阵列模块组成；以及

光学接收及光电转换单元，由探测阵列、模数转换以及时序发生器构成。

优选的，还包括多个结构部件，所述结构部件包括设置在所述调制激光发射单元以及所述调制激光接收单元下方的结构底座，以及设置在所述全固态面阵三维成像激光雷达系统外侧的结构外壳。

优选的，数据处理系统包括：激光器驱动模块，光电转换模块，功率控制模块，信号采集模块，参数存储模块以及数据处理模块，其中所述激光器驱动模块通过调制编码后的PWM信号驱动控制激光器发光，照射到所述探测目标上，返回编码脉冲进行信号采集；所述光电转换模块包括模数转换芯片以及放大器，将采集到的光信号通过模数转换芯片产生电信号，通过所述放大器放大后进行信号处理；所述功率控制模块包括数模转换芯片，通过所述数模转换芯片给出功率调节参数，根据探测目标的距离变化自适应调整激光器功率，避免近距离时产生视场数据饱和，远距离时导致激光器输出功率不足，无法探测所述探测目标，所述数据处理模块包括用于处理相位数据的深度数据处理单元、角度及距离数据解算单元和/或位姿数据处理单元，所述深度数据处理单元将深度数据传送给总线，所述参数存储模块包括与所述深度数据处理单元连接的第一存储单元和缓存，以及与所述总线连接的第二存储单元。

优选的，所述数据处理系统还包括温度采集模块，从而确保使得所述全固态面阵三维成像激光雷达系统工作在适当的温度范围内。

优选的，所述信号采集电路实现为数据采集及读数电路。

优选的，所述全固态面阵三维成像激光雷达系统还包括深度探测传感器阵列以及可见光传感器阵列，所述深度探测传感器阵列及可见光传感器阵列采用共光轴的光学接收系统，所述探测阵列包括CCD传感器以及面阵雷达阵列传感器，基于同一个主光路系统，全固态面阵三维成像激光雷达与可见光采用不同的谱段光，编码脉冲发射光进入主发射光路以及副镜组成的光路系统后，可见光谱段光通过普通反射镜进行90°折返到所述CCD传感器，近红外谱段光通过透镜在所述面阵雷达阵列传感器，形成深度与可见光数据共光轴采集。

优选的，所述CCD传感器用于可见光相机，所述面阵雷达阵列传感器用于激光雷达面阵探测器。

优选的，所述共光轴的光学接收部分还包括像素校正模块，设置在普通反射镜和透镜与光路系统之间。

本发明的有益效果：

解决了扫描式激光雷达高度依赖扫描振镜等振动部件进行测量及成像的问题；解决了扫描式激光雷达的成像速度慢帧频低的问题；解决了采用全固态成像方式提高系统稳定性和可靠性的问题；解决了通过专用成像芯片实现系统的面阵多像素同时采集并成像的问题；解决了全固态激光雷达远距离测量及成像问题，从而获得高精度、大动态范围、响应快、轻小型的全固态面阵成像的激光雷达系统，

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1所示为根据本发明实施例的全固态面阵三维成像激光雷达系统结构框图及工作流程图。

图2所示为根据本发明实施例的全固态面阵三维成像激光雷达系统原理框图。

图3所示为根据本发明实施例的全固态面阵三维成像激光雷达系统组成框图。

图4所示为根据本发明实施例的双谱段共光轴原理框图。

图5所示为根据本发明实施例的空间飞行器上所设置的探测目标特征点的结构及尺寸示意图。

具体实施方式

为了满足空间飞行器与合作目标的精密测距要求，本实施例设计高精度的激光测距雷达系统，完成空间飞行器交会对接的高精度距离信息、角度信息及横向位置信息的测量，实现空间飞行器交会对接的精确定位。

参见图1-2，本实施例的全固态面阵三维成像激光雷达系统，包括：探测目标，探测目标的设计需要兼顾远场和近场，探测目标在本实施例中是激光雷达测量系统的重要组成部分，通常采用多个角锥棱镜所组成的反射器阵列，安装在目标飞行器对接面，使追踪飞船上激光雷达测量系统所发射的激光信号原路返回，由其接收探测系统完成对目标飞行器的搜索、捕获，实时获取目标飞行器相对距离、位置等测量参数，为目标航天器与追踪航天器的对接提供高精度的测量数据，在交汇对接的合作目标设计便于识别的特征点，所述特征点设定在固定发散角的光学视场区域内，并能够便于目标识别，本项目在近场测量时(0.27m-30m)，主要关注探测目标的距离及角度等性能指标的精度；远场测量时(30m-100m)，重点关注探测目标的功能性指标；激光面阵数据采集及点云生成模块，完成探测目标目标的测量和特征点的深度数据生成，并传输给数据处理系统；以及数据处理系统，数据处理系统根据每个特征点的深度数据以及在视场区域的像素位置计算方位角信息，进行探测目标的角度及距离数据解算以及位姿数据解算。通常，设备本身能够输出直接两种原始数据：(1)320*240个像素点的距离数据；(2)可见光图像数据。所有其他数据，包括点云数据、角度解算、空间位置坐标等数据都是依据这两种数据处理后产生的。本实施例角度解算是载人航天空间交会对接项目的实际应用案例的其中一项数据，距离数据解算以及位姿数据解算属于载人航天空间交会对接项目的实际应用案例的另外两项重要的数据。

关于探测目标以及特征点的设计(本实施例实现为标靶形式)：在交汇对接的探测目标设计便于识别的特征点，特征点设计为采用6个角反射器组成，利于特征点上850nm脉冲激光波长的采集探测目标的底面距离。探测目标的特征点设计初步采用多点法设置，特征点布局设计需要兼容远近场的目标识别，探测目标的尺寸为560mm*560mm*150mm，因此，探测目标特征点的距离尺寸如图5所示。

参见图2，激光面阵数据采集及点云生成模块包括：激光驱动及控制单元，由传感器主控单元以及激光调制单元组成，传感器主控单元用于产生激光调制信号，激光调制单元实现为激光调制板；调制激光发射单元，由激光器阵列模块以及光学整形模块构成，激光光源照射激光器阵列模块形成激光照明，光学整形模块包括多个光学镜片，所述光学镜片包括柱透镜、滤光片、透镜和折返镜；调制激光接收单元，由接收镜头、信号接收阵列模块组成；以及光学接收及光电转换单元，由探测阵列、模数转换以及时序发生器构成。

为了使全固态面阵三维成像激光雷达系统轻型化并且便于携带，系统还设置多个结构部件，结构部件包括设置在调制激光发射单元以及调制激光接收单元下方的结构底座，便于放置和调平，以及设置在全固态面阵三维成像激光雷达系统外侧的结构外壳，防止碰撞带来对内部设备的损伤。

参见图3，数据处理系统包括：激光器驱动模块，光电转换模块，功率控制模块，信号采集模块，参数存储模块以及数据处理模块，其中激光器驱动模块通过调制编码后的PWM信号驱动控制激光器发光，照射到探测目标上，返回编码脉冲进行信号采集；光电转换模块包括模数转换芯片以及放大器，将采集到的光信号通过模数转换芯片产生电信号，通过放大器放大后进行信号处理；功率控制模块包括数模转换芯片，通过数模转换芯片给出功率调节参数，根据探测目标的距离变化自适应调整激光器功率，避免近距离时产生视场数据饱和，远距离时导致激光器输出功率不足，无法探测到探测目标，数据处理模块包括用于处理相位数据的深度数据处理单元、角度及距离数据解算单元和/或位姿数据处理单元，深度数据处理单元将深度数据传送给总线，参数存储模块包括与所述深度数据处理单元连接的第一存储单元和缓存，以及与总线连接的第二存储单元。本实施例中，数据处理系统还包括温度采集模块，从而确保使得所述全固态面阵三维成像激光雷达系统工作在适当的温度范围内，保护探测器芯片工作在适当的温度范围内(通常设置为40-45℃)，避免由于温度过高产生数据漂移，导致测量精度降低。本实施例中，信号采集电路实现为数据采集及读数电路。

参见图4，为了提升激光雷达深度数据与高清二维可见光图像的配准效率和匹配精度，全固态面阵成像激光雷达采用一种共光轴的光学接收系统技术。探测阵列包括CCD传感器以及面阵雷达阵列传感器，基于同一个主光路系统，全固态面阵三维成像激光雷达与可见光采用不同的谱段光，编码脉冲发射光进入主发射光路以及副镜组成的光路系统后，可见光谱段光通过普通反射镜进行90°折返到CCD传感器，近红外谱段光通过透镜在所述面阵雷达阵列传感器，形成深度与可见光数据共光轴采集。本实施例中，CCD传感器用于可见光相机，所述面阵雷达阵列传感器用于激光雷达面阵探测器。共光轴的光学接收部分还包括像素校正模块，设置在普通反射镜和透镜与光路系统之间，从而使得获得的图像精度更高。

将本实施例的全固态面阵三维成像激光雷达系统用于全固态面阵成像激光雷达通过激光光源发射850nm的脉冲激光照射被测物体，光学接收系统采集探测目标的发射的脉冲光，通过数据采集电路及深度数据处理单元，转换成特征点的深度数据，在数据处理单元中计算出每个特征点与中心轴的方位角，位姿数据解算单元根据特征点的距离和方位角信息进行位姿数据解算，并以25Hz的数据刷新率传输给数据后处理系统，满足系统控制指令周期的要求。

当然，本发明的全固态面阵三维成像激光雷达系统还可用于通过对障碍物的三维成像支持的无人驾驶，室内场景三维重建，通过对货物的三维测量进行物流智能装车的系统，码垛机器人对于物体的三维测量，空间内通过对人的三维测量进行人数检测统计等多个领域作为本发明的实施例。

虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。

Claims (5)

1.一种全固态面阵三维成像激光雷达系统，其特征在于包括：

探测目标，所述探测目标安装在所述全固态面阵三维成像激光雷达的对接面，所述全固态面阵三维成像激光雷达系统所发射的激光信号被探测目标原路返回，并对探测目标进行面阵深度数据采集及成像，由所述全固态面阵三维成像激光雷达的接收系统完成对所述探测目标的搜索、捕获，实时获取所述探测目标的相对距离、位置测量参数，在所述全固态面阵三维成像激光雷达的激光照射范围内采集探测目标多个特征点，所述特征点设定在固定发散角的光学视场区域内，并能够便于目标识别，探测目标采用标靶形式，在探测目标的靶面上设计便于识别的特征点，特征点设计为采用6个角反射器组成，使全固态面阵三维成像激光雷达对特征点反射的850nm波长脉冲激光的回波信号进行采集以及测量探测目标的底面距离，所述探测目标的所述特征点采用多点法设置，特征点布局兼容远近场的目标识别，探测目标的靶面尺寸为560mm*560mm*150mm；

激光面阵数据采集及点云生成模块，完成所述探测目标的测量和特征点的深度数据生成，并传输给数据处理系统，采集的所述数据包括两种，即所有像素点的距离数据与可见光像素数据；所述激光面阵数据采集及点云生成模块包括：激光驱动及控制单元，由传感器主控单元以及激光调制单元组成，所述传感器主控单元用于产生激光调制信号，所述激光调制单元实现为激光调制板；调制激光发射单元，由激光器阵列模块以及光学整形模块构成，激光器阵列模块形成激光照明，所述光学整形模块包括多个光学镜片，所述光学镜片包括柱透镜、滤光片、透镜和折返镜；以及光学接收及光电转换单元，由探测阵列、模数转换模块以及时序发生器构成；所述探测阵列包括面阵激光雷达传感器阵列以及可见光CCD传感器阵列，所述面阵激光雷达传感器阵列以及可见光CCD传感器阵列采用共光轴的光学接收系统，基于同一个主光路系统，全固态面阵三维成像激光雷达与可见光采用不同的谱段光，编码脉冲发射光进入主发射光路以及副镜组成的光路系统后，可见光谱段光通过普通反射镜进行90°折返到所述可见光CCD传感器阵列，近红外谱段光通过透镜照射在所述面阵激光雷达传感器阵列，形成深度数据与可见光数据共光轴采集；以及

数据处理系统，所述数据处理系统根据每个特征点的深度数据以及在视场区域的像素位置计算空间位置信息，进行所述探测目标的角度及距离数据解算以及位姿数据解算；所述数据处理系统包括：功率控制模块，信号采集模块，参数存储模块以及数据处理模块；所述功率控制模块包括数模转换芯片，通过所述数模转换芯片给出功率调节参数，根据探测目标的距离变化自适应调整激光器功率，避免近距离时产生视场数据饱和，远距离时导致激光器输出功率不足，无法探测所述探测目标，所述数据处理模块包括用于处理相位数据的深度数据处理单元、角度及距离数据解算单元和/或位姿数据处理单元，所述深度数据处理单元将深度数据传送给总线，所述参数存储模块包括与所述深度数据处理单元连接的第一存储单元和缓存，以及与所述总线连接的第二存储单元。

2.根据权利要求1所述的一种全固态面阵三维成像激光雷达系统，其特征在于还包括多个结构部件，所述结构部件包括设置在所述全固态面阵三维成像激光雷达系统外侧的结构外壳。

3.根据权利要求1所述的一种全固态面阵三维成像激光雷达系统，其特征在于所述数据处理系统还包括温度采集模块，从而确保使得所述全固态面阵三维成像激光雷达系统工作在适当的温度范围内。

4.根据权利要求1所述的一种全固态面阵三维成像激光雷达系统，其特征在于所述信号采集模块实现为数据采集及读数电路。

5.根据权利要求1所述的一种全固态面阵三维成像激光雷达系统，其特征在于所述可见光CCD传感器阵列用于可见光相机，所述面阵激光雷达传感器阵列用于全固态面阵三维成像激光雷达。